天文学论文主题

天文观测精确地检验了牛顿力学，并把它推上科学巅峰 1845年，当时的巴黎天文台台长阿喇果(Dominique F. J. Arago)建议勒威耶(Urbain Le Verrier)研究天王星运动的反常问题。勒威耶利用有关天王星的大量观测资料，运用牛顿万有引力定律计算出对天王星起摄动作用的未知行星的轨道和质量，并且预测了它的位置。他将计算结果呈送给法国科学院，与此同时他还写信给当时拥有较大望远镜的几位天文学家，请求帮助观测。他的工作在法国同行中受到了冷遇，但是却获得了德国天文学家伽勒(Johann G. Galle)的协助。1846年9月23日，伽勒收到勒威耶信的当天晚上就进行了观测搜寻。他仅用一个半小时就在偏离勒威耶预言的位置52′处观测到了这颗当时星图上没有的星，即后来大名鼎鼎的海王星。海王星的发现把牛顿力学推上了科学的巅峰。 后来，勒威耶发现水星的近日点进动，在排除太阳引力和其它已知天体的轨道摄动影响后，还有每百年43角秒的多余进动。这是牛顿引力所不能解释的。受海王星发现的启示，勒威耶由此预言了“水内行星”的存在。然而勒威耶穷其一生也无法找到这颗预言的行星。他的水星近日点进动观测结果后来被爱因斯坦用广义相对论成功地加以解释。与牛顿力学不同，在广义相对论中，两个没有自转的物体之间的引力与它们自转起来之后的引力是不同的。这一效应会引起自转轴的进动，水星进动就是由这一效应所产生的。 天文观测对爱因斯坦广义相对论的验证 广义相对论的验证主要是通过天文观测进行的。“天文验证”之一是用广义相对论成功地解释了水星近日点进动问题，计算的进动值在扣除了其它行星的影响后为每100年移动〃，与观测值——43〃十分吻合。后来观测到的地球、金星等行星近日点的进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。 “天文验证”之二是利用日全食的观测，验证了引力场中光线弯曲的量是符合广义相对论的。1911年，爱因斯坦就在理论上预言了这一现象。他认为在发生日全食时，可以通过测量太阳附近引力场的某一恒星的星光，与先前这颗恒星的位置相比较，便可以测出偏转的角度。从1912年到1922年，天文学家进行了多次日全食观测。特别是英国著名天文学家爱丁顿(Arthur S. Eddington)自爱因斯坦提出这一理论开始就支持他的预言，并为此做了大量的日全食观测。爱因斯坦关于“太阳的引力可能引起恒星光线偏折”预言的正确性，经坎普贝尔(William W. Campbell)1922年的观测结果的检验才最终被主流科学界所确认。。 “天文验证”之三是在一颗白矮星上观测到了谱线的引力红移。广义相对论认为，光线在引力场中传播时，它的频率会发生变化。当光线从引力场强的地方传播到引力场弱的地方时，其频率会略有降低，即发生引力红移现象。1911年，爱因斯坦计算从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是2×10-6。这个数值很小，测量起来相当困难。而白矮星的质量与太阳接近，但半径只有太阳的百分之一，其发出光的引力红移效应比较显著。1925年，美国天文学家亚当斯(Walter S. Adams)观测了一颗白矮星(天狼星B)，测到的引力红移与广义相对论的理论计算值基本相符。 值得一提的是，在1974年，美国科学家赫尔斯(Russell A. Hulse)和泰勒(Joseph H. Taylor)发现了一颗新的脉冲双星PSR1913+16。通过对这颗脉冲星的转动周期衰减测量，间接证实了广义相对论所预言的引力波。赫尔斯和泰勒也由于此项工作而荣获1993年诺贝尔物理学奖。 天文观测推翻了托勒玫地心说的统治地位 哥白尼通过三十年的天象观测，渐渐地对长期以来居于宗教统治地位的托勒玫地心说产生了怀疑。哥白尼在他的《天体运行论》中详细讨论太阳、地球、月亮和各个行星的运动，认为太阳是不动的，是宇宙的中心，而地球只是一个围绕太阳转动的普通行星。 1609年，伽利略首次将望远镜用于天文观测，并以此发现了一些可以支持日心说的新的天文现象后，日心说才开始引起人们的关注。这些天文现象主要是木卫体系的发现直接说明了地球不是唯一中心，金星盈亏的发现暴露了托勒玫地心说体系的错误。然而，由于支持哥白尼日心说的数据与支持托勒玫体系的数据都不能与第谷的观测相吻合，因此日心说当时仍不具有优势。直至开普勒以椭圆轨道取代圆形轨道修正了日心说之后，日心说在与地心说的长期斗争中才取得了真正的胜利。人类终于认识到地球不是宇宙的中心。德国诗人歌德曾说：“哥白尼撼动人类意识之深，自古无一种创见、无一种发明，可与之相比。”可以毫不夸张地说是哥白尼的日心说揭开了近代科学革命的序幕。 然而，太阳真的位于宇宙中心吗？这是人们一直非常关心的问题。自从18世纪以来，包括赫歇尔等在内的许多著名天文学家，都认为太阳是在银河系中心。美国天文学家沙普利(Harlow Shapley)通过观测发现球状星团并不均匀地分布在全天，而是比较集中在南天，尤其是人马座一带。他大胆而明确地提出，这是由于太阳并不在银河系中心，而是远离中心的缘故，银河系中心在人马座方向。沙普利把太阳从银河系中心挪开，放到它应该在的地方，其见解意义重大。 1924年，哈勃利用威尔逊山天文台的米望远镜分析一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的“星云”距离我们远达几十万光年，因而一定位于银河系外。这一发现使人们不得不改变对宇宙的看法，即银河系在宇宙中也是一个非常普通的星系。1925年，哈勃对河外星系的最新观测显示星系看起来都在远离我们而去，且距离越远，远离的速度越快。这项发现是20世纪天文学的重大成就，它颠覆了人类对宇宙已往的理解与认识。一直以来，人们都认为宇宙是静止的，而现在发现宇宙是在膨胀的，这一结论意义深远。今天，通过天文观测，人类终于认识到宇宙是没有中心的，整个宇宙各个部分都在彼此远离，并正在加速膨胀。 天文观测正逐渐推翻地球是宇宙生命中心说 人类在抛弃地球是宇宙中心地位的过程中，也提出了地球是否是宇宙中唯一的生命家园，即地球是不是宇宙生命中心的问题。事实上，每个人都在根据自己的认识来寻找着上述问题的答案。对这些问题的回答与思考贯穿于整个文学、艺术和科学的发展史中。新的科学发现使我们更为接近揭开太阳系外生命的一些基本问题，但又提出了更多的新问题。 随着新千年的到来，人类希望凭借自己掌握和拥有的先进的科学和技术能力来回答这些最古老和深奥的问题。虽然对此问题尚无确切的答案，但是至少太阳系外行星存在的理论已为近年的最新天文观测所证实。90年代以来，通过大口径光学望远镜观测，对发现具有类似太阳系的恒星行星系统有了许多突破性进展。到目前为止，天文学家已确定了400余颗有行星系统的恒星候选体。观测还表明，这些具有行星环绕的恒星系统和行星本身都存在多样性。约40颗恒星行星系统具有多行星存在，其中一个恒星系统拥有5颗行星，2个恒星系统拥有4颗行星。从统计来看，至少5%的类太阳恒星存在行星系统。最近已探测到一颗质量大约为2个地球质量的类地行星候选体。特别令人振奋的是天文学家相继在多个行星状星云和多颗行星上发现了生命所必需的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和水等大气谱线。天文学家甚至已经能够通过大望远镜和先进的技术方法直接观测到围绕恒星旋转的行星了。目前，通过太阳系外行星的探测，正朝着推翻宇宙生命中心说的方向发展。越来越多的天文观测表明，地球并不是宇宙中唯一存在生命的星球。 我们有理由相信，人类与生俱来的好奇心和求知欲将是驱动人们进行太阳系外行星及其生命搜寻的原动力。新的天文观测和发现必将并继续深刻地影响和改变着整个人类的宇宙观，不断加深人类对宇宙的认识。这种在理性指导下的实践活动体现了现代的科学探索精神，也必将为人类认识自然、与自然和谐相处带来无穷的益处。